光伏逆變器非線性分析與補償策略研究

周二磊，張　課，曹薇薇

(國網安徽省電力公司 淮北供電公司，安徽 淮北　235000)

光伏逆變器非線性分析與補償策略研究

周二磊，張課，曹薇薇

(國網安徽省電力公司 淮北供電公司，安徽 淮北235000)

摘要：光伏逆變器的非線性特性導致相電壓和相電流畸變，使得系統性能降低，在詳細分析非線性效應的理論基礎上，提出了一種非線性補償策略。該補償策略在兩相靜止坐標系下，根據電流空間矢量所在的不同扇區，將逆變器功率器件導通壓降帶來的電壓偏差前饋給指令電壓來進行補償，保證了并網電壓空間矢量仍為圓形軌跡，提高了相電壓和相電流的正弦度。該補償策略簡單有效，能有效對非線性誤差進行補償，最后通過仿真結果表明，所提出的新型非線性補償策略能夠有效減小非線性誤差造成的電壓電流畸變現象，提高了系統運行性能。

關鍵詞：光伏逆變器；電流空間矢量；非線性補償

1電壓型光伏逆變器控制策略

光伏發電是太陽能利用的一種重要形式，逆變器作為光伏并網發電系統的關鍵部件，其性能好壞直接影響太陽能利用效率的高低[1]，因此如何提高光伏并網變換器效率，提高系統的安全性和可靠性，對光伏發電系統都有著極其重要的意義。實際中光伏逆變器采用電壓型PWM逆變器拓撲結構[2]，如圖1所示，具有功率因數可控，能量可雙向流動等特點，從而具有優良的控制性能。光伏并網發電時，為了最大限度地利用太陽能，要求對光伏陣列進行最大功率點跟蹤[3]，因而并網逆變器必須具有快速的動態響應。另外并網逆變器的數學模型呈非線性特性，逆變電源的輸出波形為存在一定失真的正弦波，一是為了防止并網逆變器功率器件上下橋臂直通，通常在功率器件驅動信號中加入死區時間，在保證了功率器件安全工作的同時，也帶來了并網電壓電流畸變、零電流箝位等死區效應[4-5]；二是逆變器功率器件不是理想的開關器件，存在導通壓降影響了輸出相電壓、相電流的正弦度[6-7]。光伏發電系統中，負載多為通信或儀表設備，這些設備對電網品質有較高要求，所以需要對逆變器非線性特性進行補償來提高逆變器的效率。常規的控制策略是采用近似線性化控制方法，這種方案雖然采用了線性控制理論進行控制器設計，但是這樣的近似本身就給系統的控制帶來了不確定性。因此，本為研究了一種新型的非線性控制器來抵消并網逆變器帶來的非線性，仿真結果表明這種控制策略明顯降低相電壓、相電流的畸變，具有更好的動態性能。

圖1　電壓型PWM逆變器拓撲結構

2逆變器非線性分析

由于變換器的開關器件不是一個理想的開關器件，其管壓降對逆變器非線性輸出相電壓和相電流有較大的影響。圖2所示為EUPEC公司功率器件BSM50GB120DN2的特性曲線以及二極管的飽和壓降曲線[8-10]。線性化處理后如圖1中的虛線所示，即電力電子器件的導通壓降uce近似看成固定門檻電壓uth與其阻抗壓降的合成。

圖2　功率器件正向特性

圖2所示為功率器件的導通壓降對PWM逆變器的影響。電壓空間矢量第一扇區內功率器件的開關狀態存在三種情況，即100-110-111三種開關狀態，規定電流方向由逆變器流入電網為正方向，并假設A相電流ia始終為正、B、C兩相電流ib、ic始終為負，根據逆變器的開關狀態，三相電流ia、ib、ic要么通過功率器件IGBT流通，要么通過反并聯二極管流通。圖3中(a)、(b)、(c)所對應的狀態分別為100-110-111三種開關狀態。由于一個扇區內功率器件的開通時間最大僅為基波周期的1/6，因此三相電流的方向在一個扇區較大的時間范圍內并未改變，即PWM開關狀態雖然改變，但功率器件導通壓降對輸出電壓的影響并沒有改變(本文考慮反并聯二極管與功率器件的導通壓降uce是相同的)。因此可知，逆變器導通壓降uce的影響便可由三相電流的方向決定。

圖3　功率器件導通壓降對PWM逆變器的影響

其余扇區同理分析，可得出一條結論：不同的開關狀態，功率器件導通壓降對PWM逆變器的影響只跟三相電流的流向有關，即只跟電流空間矢量is所在扇區有關。定義門檻電壓uth為導通壓降uce的一部分，由于門檻電壓在某一橋臂的影響也由該相電流方向決定，可以定義A相門檻電壓采用uth·sign(ia)表示。因此利用電壓空間矢量概念可以定義

uth=uthsign(ia)+authsign(ib)+a2uthsign(ic)

a=exp(j*2π/3)

(1)

式中uth——逆變器非線性帶來的門檻電壓空間矢量。

式(1)可簡化為

uth=2uthsec(is)

(2)

電流空間矢量i所在的扇區：

圖4所示為電流空間矢量is所在扇區位置，其中A、B、C為互差120°的三相靜止坐標軸，αβ為兩相靜止坐標軸，與電壓空間矢量類似，根據iα=0，iα=1.732iβ，iα=-1.732iβ三條直線，可以將電流空間矢量平面分為六個區域。設定：

(3)

則電流空間矢量is所在扇區由式(4)確定。

sec(is)=4X+2Y+Z

(4)

圖4　電流空間矢量所在扇區

圖5所示為逆變器功率器件的導通壓降對輸出電壓的影響。其中，us為觀測到的電壓空間矢量，由于功率器件導通壓降的影響，在扇區切換時us軌跡不連續并且發生畸變。存在如下關系

us=u*-uth-rdis

(5)

式中u*——給定的電壓空間矢量，呈圓形軌跡；rdis——阻抗壓降，rd——逆變器的等效通態電阻；其中uth為門檻電壓空間矢量，而uth為門檻電壓，根據式(2)可以看出|uth|=2uth，這里不同于三相平衡系統。

圖5　逆變器非線性模型的影響

圖5可見，逆變器非線性特性對并網電壓的正弦度影響較大，因此研究逆變器非線性模型對提高光伏發電系統的精度有著實際意義。

3非線性補償

圖6　PWM逆變器非線性補償控制框圖

針對不同的扇區中電流空間矢量is對逆變器輸出電壓的影響，補償策略如下

sec1：

(6)

sec2：

(7)

sec3：

(8)

sec4：

(9)

sec5：

(10)

sec6：

(11)

4仿真與實驗驗證

本文采用Matlab/Simulink軟件對逆變器非線性進行仿真研究，定量地分析了逆變器非線性對并網電壓的影響。為了更清晰地對比非線性補償的效果，仿真設置IGBT的門檻壓降為2.5V，二極管的門檻壓降也為2.5V，死時設置為零，負載設置為三相阻感負載。

圖7所示為逆變器非線性作用對并網電壓影響效果的仿真波形圖，圖(a)的給定頻率為工頻50Hz，功率器件的門檻電壓均為2.5V不變。仿真結果可以看出逆變器的非線性使得實際并網電壓與給定電壓存在誤差。

圖7　給定與實際電壓

圖8所示為償前后A相輸出電流及FFT的仿真波形圖，圖(a)、(b)分別為補償前、后的輸出電流波形。根據圖8的仿真結果可以看出，逆變器非線性對輸出電流會有一定的畸變，通過非線性補償后，輸出電流畸變率明顯降低、正弦度良好，電流波形得到明顯改善。

圖8　A相輸出電流及FFT波形

采用美國TI公司數字信號處理器TMS320F28335進行實驗驗證，逆變功率模塊采用EUPEC公司的BSM50GB120DLC模塊，電壓傳感器采用LEM公司的LV28-P。PWM逆變器開關頻率為5kHz，死區時間設置為5μs。圖9所示為逆變器非線性補償策略前后并網電壓實驗波形。由圖9可見，采用所提非線性補償策略后，電壓畸變率降低，正弦度得到很大程度地提高，有效削弱了逆變器非線性特性帶來的影響，進一步驗證補償策略的正確性和有效性。

圖9　并網電壓波形

5結語

針對光伏逆變器非線性特性影響系統性能，研究了一種非線性補償策略，該策略利用電流空間矢量所在扇區補償逆變器非線性帶來的電壓偏差，使得逆變器并網電壓呈圓形軌跡，同時提高了輸出電流的正弦度。通過仿真和實驗驗證了理論分析的正確性和補償措施的有效性。

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(本文編輯：趙艷粉)

Nonlinearity Analysis and Compensation Strategy of Photovoltaic Inverter

ZHOU Er-lei, ZHANG Ke, CAO Wei-wei

(HuaibeiPowerSupplyCompany,Huaibei235000,China)

Abstract:The nonlinearity of photovoltaic inverter often causes distortion of phase voltage and phase current, consequently affecting the system performance; therefore, this paper puts forward a nonlinear compensation strategy based on detailed analysis of nonlinear effect theory. This compensation strategy uses the current space vector sector under the two-phase static coordinate system to compensate the voltage deviation caused by nonlinear, and feed forward to the command voltages, which ensures the grid voltage space vector is still in circular trajectory and improves the sine degree of the phase current and the phase voltage. This simple and effective compensation strategy can effectively compensate for nonlinear error. Finally, the simulation results show that this new nonlinear compensation strategy can effectively reduce the voltage and current distortion caused by nonlinear error, and can improve the system performance.

Key words:photovoltaic inverter；current space vector；nonlinear compensation

DOI：10.11973/dlyny201601016

作者簡介：周二磊(1987)，男，工程師，研究方向為新能源并網技術以及電勵磁同步電動機矢量控制。

中圖分類號：TM301.2

文獻標志碼：B

文章編號：2095-1256(2016)01-0075-05

收稿日期：2015-09-15